稀土激光材料

一、稀土激光材料
　　激光是一种新型光源，它具有很好的单色性、方向性和相干性，并且可以达到很高的亮度。与激光技术相应发展起来的各种晶体，如非线性晶体，能对激光束进行调频、调幅、调偏及调相作用；能修正传输过程中激光图像的畸变；热电探测晶体能灵敏地探测到红外光等。这些特性使激光很快就应用到工、农、医和国防部门。
　　激光与稀土激光材料是同时诞生的。到目前为止，大约90%的激光材料都涉及到稀土。自从1960年在红宝石中出现激光以来，同年就发现用掺钐的氟化钙(CaF2:Sm2+)可输出脉冲激光。1961年首先使用掺钕的硅酸盐玻璃获得脉冲激光，从此开辟了具有广泛用途的稀土玻璃激光器的研究。1962年首先使用CaWO4:Nd3+晶体输出连续激光，1963年首先研制稀土螯合物液体激光材料，使用掺铕的苯酰丙酮的醇溶液获得脉冲激光，1964年找出了室温下可输出连续激光的掺钕的钇铝石榴石晶体（Y3Al5O12:Nd3+），它已成为目前获得了广泛应用的固体激光材料，1973年首次实现铕-氦的稀土金属蒸气的激光振荡。由此可见，在短短的十多年里，稀土的固态、液态和气态都实现了受激发射。在激光工作物质中，稀土已成为一族很重要的元素。这都与它具有特殊的电子组态、众多可利用的能级和光谱特性有关。
　　稀土激光材料可分为：固体、液体和气体三大类。但后两大类由于其性能、种类和用途等远不如固体材料。所以一般说稀土激光材料通常是指固体激光材料。固体材料分为晶体、玻璃和光纤激光材料，而激光晶体又占主导地位。
二、稀土固态激光材料
1．稀土晶体激光材料
　　目前已知约有320种激光晶体，主要是含氧的化合物或含氟的化合物，其中约290种是掺入稀土作为激活离子的，即稀土激光晶体约占90.6%，稀土中已实现激光输出的有Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb等，尽管激光晶体很多，但重要的只有数十种，而实用的更少。典型的、优良的激光晶体有如下几种： （1）稀土石榴石体系（YAG）
　　YAG是目前国内外研究、开发和应用最活跃的体系，其中掺钕钇铝石榴石晶体（YAG∶Nd）性能最好，用途最广，产量最大。它用作重复频率高的脉冲激光器。近年来开发了效率更高的掺钕和铬的钆钪镓石榴石。
（2）掺Nd的铝酸钇体系 YAlO3∶Nd(YAP∶Nd)
　　YAP属正交晶系，具有各向异性，故可利用晶体的不同取向而得到不同的激光特性。另外YAP晶体的长生速度比YAG快。输出功率不易饱和。其缺点是在高温下存在相不稳定性，热膨胀系数各向异性，致使晶体在生长过程中易出现开裂、色心和散射颗粒等缺点。 （3）氟化锂钇（YLF）激光材料
　　YLF是一种优良的激光基质，其中很多稀土激光离子都实现了激光输出。它的优点是受光辐照后，不产生色心而变色，基质吸收的截止波长移向短波。YLF：Nd晶体荧光寿命长，发射截面积大，适合二极管的泵浦的激光晶体。
2．稀土玻璃激光材料
　　在玻璃中可产生激光的稀土激活离子比在晶体中少，目前已知有Nd、Er、Ho、Tm等三价离子。稀土玻璃激光材料的优点是：易于制备，利用热成型和冷加工工艺可制得不同大小尺寸和形状的玻璃，灵活性比晶体大，既可拉成直径小至微米的纤维，又可制成几厘米直径和几米长的棒或圆盘。稀土玻璃是目前输出脉冲能量最大、输出功率最高的固体激光材料，用这种激光材料制成的大型激光器用于热核聚变的研究中。 ３．化学计量激光材料
　　在这类激光材料中，稀土激活离子不是以掺杂的形式加入的，而是作为晶体的组分之一。其潜在的应用是用于集成光学、光通讯、测距，将来光计算机与半导体激光器将有一番竞争。
4．稀土上转换激光材料
　　目前实现的激光波长主要是红和红外波段，极缺蓝和绿激光波段，使激光的发展和应用受到影响。除倍频技术使长波长的激光转变为短波长激光外，近年来，人们利用发光学中的反斯托克斯效应，大力发展上转换激光材料，并使之达到实用化、商品化。
5．稀土光纤激光材料
　　随着集成光学和光纤维通迅的发展，需要有微型的激光器和放大器。90年代起，信息高速公路对信息的传输提出了更高的要求，多媒体技术要求能同时传送图、文、声、像，而且是高度清晰的声、像。信息高速公路要达到象样的高速，一般的光纤通信技术传送信息的速度差之甚远，希望能以超高速、超长距离方式传送信息需要跨越许多技术上的障碍，其中之一就是如何补充在长距离传送过程中光衰减的能量。所以光信号直接放大就成为尚待解决的课题。其中掺铒的光纤放大器能直接放大光信息，进行大容量、长距离通信，使光纤通信取得长足发展。　　近年来对掺铒的光纤放大器的研制取得了很大的进展。将铒掺入普通石英光纤，再配以980纳米、1480纳米的两种波长的半导体激光器，就基本构成了直接扩大1550纳米光信号的光放大器。铒从高能态跃迁至基态时发射的光补充了衰减的信号光，起到光放大的作用。为避免无用的吸收，光纤中铒的掺杂量为几十至几百ppm，而且，在光密度高的芯的中心部分掺杂可获得高增益。
三、稀土激光材料的应用器件
1．YAG∶Nd激光器
　　这是用量最多、最成熟的激光晶体，对其需求占激光晶体的90%左右，在未来5年内仍为主体。材料加工是激光器巨大市场之一。CO2激光器与YAG∶Nd激光器在材料加工方面销售量之比为2∶1。
2．光存贮激光器
　　作为信息高速公路重要组成部分，市场潜力非常巨大，其中一部分属于光存储。提高存储密度的方法是用更短波长的激光，目前最佳选择是808微米的LED泵浦YVO4∶Nd晶体。
3．2微米激光器
　　Ho和Tm激光器有很大的市场潜力。由于Ho和Tm激光输出波长在2微米左右，与水的吸收峰相接近，有极好的对人体组织切割和凝血效果，可以用普通光纤传输，是理想的手术激光光源。美国已批准20多种2微米激光在医疗临床使用。可治疗多种疾病。2微米激光对人眼安全，大气穿透好，可作为激光雷达光源，其综合性能优于YAG∶Nd和CO2激光器。
4．LED泵浦的固体激光器
　　LED泵浦固体激光器其效率比灯泵浦提高10倍，全固体化可靠性提高100倍，在光存储、微细加工、有线电视、遥感、雷达等科研方面有巨大市场。LED泵浦激光材料目前主要有YAG∶Nd、YAG∶Tm、YVO4∶Nd、Y2SiO5∶Nd等。
四、稀土激光材料发展方向
　　稀土材料是激光系统的心脏，是激光技术的基础，由激光而发展起来的光电子技术，不仅广泛用于军事，而且在国民经济许多领域，如光通讯、医疗、材料加工（切割、焊接、打孔、热处理等）、信息储存、科研、检测和防伪等方面获得广泛应用，形成新产业。在军事上，稀土激光材料广泛应用于激光测距、制导、跟踪、雷达、激光武器和光电子对抗、遥测、精密定位及光通讯等方面。提高和改变各军种和兵种的作战能力和方式，在战术进攻和防御中起重大作用。高功率激光材料可装备激光致盲武器，以及光电对抗等武器。光发射二极管（LED）泵浦的激光晶体制成的激光器输出光束质量好，非线性移频效率高，可把毫瓦级的激光移频到蓝光、绿光和红光区，用于光存贮、显示、遥感、雷达和科研等。 ??1985～1986年全世界的激光器的销售额从4.6亿美元增加到1996年的15亿美元。平均年增长率为11%。激光产品销售额的分布：美国占45%、欧洲占30%、太平洋地区占25%。销售额占前六位应用领域是材料加工、医疗、光通讯、科学研究、光存储和测量设备。到下世纪初，光通讯、光存储和信息高速公路等光电子技术将得到飞速发展。我国激光产业的销售额从1985年的0.6亿元上升到1994 年的5.82亿元。平均每年以32%的速度递增。